發布時間：2019-11-13所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要： 地球物理學是一門運用基本物理理論和數學分析手段解決地學問題的交叉應用學科，因此專業課程的設置側重于理論和應用的緊密結合，實驗教學亦成為地球物理專業課程重要的配套教學內容。南京大學地學院在地球物理基礎課程教學中，逐步建立起由巖石物性
摘 要： 地球物理學是一門運用基本物理理論和數學分析手段解決地學問題的交叉應用學科，因此專業課程的設置側重于理論和應用的緊密結合，實驗教學亦成為地球物理專業課程重要的配套教學內容。南京大學地學院在地球物理基礎課程教學中，逐步建立起由巖石物性測量、地球物理場觀測和地球物理場資料處理三大模塊構成的模塊化教學實驗體系。教學實驗設計密切結合課程教學邏輯和框架結構，通過各模塊的設計目標、模塊之間的關聯性，幫助學生建立地學問題和物理過程的清晰關聯，加深對基礎理論的理解，提升課堂教學效果。
關鍵詞：巖石物性;地球物理場;地球物理反演
地球物理學是一門應用物理學，是將基本的物理理論應用于解決地學問題，從大尺度上建立對地球本體的認知，如地球內部的圈層結構、重力場形態、地磁場時空分布等，從中小尺度上，形成各種勘探方法，包括油氣礦產資源勘探、工程勘探和環境監測等，具有很強的應用性 [1] 。同時，地球物理學科又是一門定量學科，方法基于嚴格的物理定律和數學邏輯，本質上是通過求解物理方程獲得關于地球內部結構的定量參數模型描述，建立地球演化的動力學過程模型，具有很強的數理邏輯性。因此地球物理類專業課程的教學核心在于幫助學生建立數理理論和地學問題的關聯，明確地學模型參數對應的物理性質，理解地學問題背后對應的物理過程。在相關課程的教學中，良好的教學實驗設計可以幫助學生加深對基礎理論的理解，建立地學問題和物理過程的清晰關聯。
南京大學地球科學與工程學院的地球物理基礎課程，采用課堂理論教學和實驗教學相結合的模式，在長期的教學實踐中，逐步形成了由巖石物性測量、地球物理場觀測和地球物理場資料處理三大模塊構成的教學實驗平臺。筆者在多年的地球物理相關課程教學中，深切體會到教學實驗對課堂理論教學的有效促進作用，不但能提升學生的學習興趣，加深對基礎理論知識的理解，而且可以有效提高學生的觀察設計、實踐動手和分析總結能力。本文結合教學實踐，總結了一些有效的實驗教學方法和設計思路，希望和其他院校相關專業的實驗教學互相借鑒參考，共同推動本科基礎理論和實驗教學方法的改進。
一、地球物理專業實驗教學的設計理念
地球物理學的基本研究方法，是通過地表地球物理場的觀測和分析，獲取關于地球內部的信息，包括地球內部的結構、物質組成、性質和運動狀態等，形成關于地球內部的定量描述，是用數學物理的方法解決地學的問題。從根本上來說，就是通過求解物理方程獲得關于地球內部結構的定量參數模型，建立關于地球內部變形、運動和演化的動力學模型。
因此地球物理學專業課程的教學核心內容，就是幫助學生建立各種地球物理場與地球內部結構組成和運動過程，以及相對應的物理參數模型、物理過程模型之間的關聯認知，理解為什么可以從物理場中獲取地球內部信息，進而思考如何從物理場信息中提取還原地球內部信息，最終建立對地球內部的各種參數模型描述。圍繞上述教學思路開展相關課程教學，配合相應的教學實驗設計模塊，在教學過程中就可以幫助學生準確理解地球物理學的研究內容和方法原理，建立清晰的數理邏輯，不被公式推導和方程求解的復雜過程所困擾，進而循序漸進地建立起一套系統的地球物理工作思想。
二、教學實驗模塊設計方案和設計思路
圍繞上述課程理論和實驗教學的設計理念，將地球物理相關基礎理論課程的配套教學實驗劃分為三個模塊：(1)巖石物性參數測試模塊，用以建立地表地球物理場特征和介質物性之間的關聯性;(2)地球物理場觀測實驗模塊，用以建立地學問題和地球物理場特征之間的關聯性;(3)觀測資料處理分析模塊，用以建立地球物理參數模型和地學問題之間的關聯性(圖 1)。
其中，巖石物性參數測試模塊是另外兩個模塊的基礎，是幫助學生建立地表地球物理場與地球內部結構、過程關聯性的起點;模塊三觀測資料處理分析則是利用模塊二中獲得的物理場信息，推演模塊一中地球內部的介質物性和空間分布，獲得地球內部的參數模型和過程模型描述，完成地球物理學方法的地學目標。以下結合實際的教學案例，分別就各模塊的目標設計和內容設計，以及模塊之間的關聯做一些總結和介紹。
1、模塊一：巖石物性參數測量實驗
巖石物性參數的測定實驗模塊，包括巖石樣品的波速、密度、磁化率測定等多個實驗，實驗的設計目標是幫助學生理解地表地球物理場和地球內部介質物理性質之間的關系，認識到正是由于地球內部的巖石具有不同的物質組成和物理結構，具有不同的物理性質，并且在地下空間具有不同的分布形態，才導致了地表觀測物理場的空間變化，即地球物理場的異常場分布。
這部分實驗內容的重點放在巖石樣品的觀察上，觀察不同類型巖石樣品的物質組成差異，相似成分巖石樣品的結構差異，在巖石成分與結構特征觀察的基礎上進行物性參數(波速、密度、磁化率等)的測量。學生通過對不同類型的巖石樣品測試，可以了解到不同類型巖石(如沉積巖 / 變質巖 / 火成巖)之間，有機礦物、非金屬礦和金屬礦物(如煤、石英和磁鐵礦等)之間物性參數的數量級差別，同一類型巖石成分差別(如不同礦物組成的花崗巖系列)和結構差別(如不同粒度的沉積巖系列)對物性參數的影響。通過成系列分布樣品的測試，總結巖石物性參數和物質組成、結構之間的關聯性，幫助學生建立起地學模型參數化的基本思想。
2. 模塊二：地球物理場觀測實驗
地球物理場觀測實驗模塊，包括淺層地震探測實驗、重力場觀測實驗、地磁場觀測實驗、高密度電阻率成像等。實驗的設計目標，一方面幫助學生建立地表物理場特征量和地下介質物理特性、空間分布特征之間的關聯性(如視電阻率和地下電性結構)，加深對地球物理方法原理的理解;另一方面建立地球物理場的空間分布特征和地學問題的關聯性(如地層探測，地下管線排查等)，明確地球物理探測的目的，加深對地球物理應用的理解。
圖 2 為結合課堂電法部分教學設計的高密度電法淺層成像實驗，在校園內展開實驗。由學生在室外進行實地踏勘，選擇試驗場地，室內設計測線分布，電極參數配置，然后完成室外測量，最后把反演得到的地層剖面(圖 2)和實際觀測的地表管線露頭進行對比解釋(表 1)。這個實驗對電法勘探原理和應用的詮釋直觀清晰，學生通過實驗探測并驗證了教學實驗樓前的管線基本埋藏情況，取得了良好的教學效果。
物理場觀測實驗模塊的重點放在實驗方案設計和室外測量實施上，給學生提供基本的儀器操作培訓，制定基本野外測量目標方案后，由各實驗小組根據實際的野外測量環境、測量目標任務和實際觀測效果進行實驗方案調整實施。通過實驗方案的設計調整，可使學生深入了解地球物理場的測量原理;通過實際的室外測量，建立對野外工作流程的基本認知，對實際地學問題的認識歸納。由于能把課堂學到的理論知識直接用于解決實際問題，直觀地看到自己觀測工作取得的結果，這一類實驗能夠極大地提升學生對課程的學習興趣。
3. 模塊三：觀測資料處理實驗
地球物理是一門基于觀測的學科，對于觀測資料包含物理場信息內容的正確理解和分析，是對資料進行有效利用的基礎。觀測資料處理實驗模塊包括地震資料、重磁資料處理等實驗。這部分實驗的設計目標，在于幫助學生建立對物理場觀測資料包含信息的清晰認知，正確理解參數物理模型和地學問題之間的關聯性，也是培養學生將所學知識用于解決實際問題的初級階段。這部分實驗可以分為觀測數據預處理、觀測資料分析處理和初步解釋兩個部分。
觀測數據的預處理實驗部分的訓練，是幫助學生正確理解觀測資料中包含的有效物理場信息和無效干擾信息，比如環境噪聲干擾信息，測量儀器本身的漂移信息等，然后針對干擾的特征選擇合適的校正工具對數據進行預處理。例如，通過天然地震觀測資料中的數字濾波處理實驗，學生理解了信號和噪聲在記錄中的伴生關系，天然地震波的頻譜特征和信號帶寬，掌握了數字濾波的基本原理。同時，在實驗中學生可以接觸到跟地震波數據處理相關的常用工具軟件，初步進行常規時間信號的分析、計算和成圖等操作訓練 [3] 。
觀測資料的處理和解釋實驗部分的訓練，是根據研究目標和數據特征采用有效的處理手段進行目標信息提取。這一部分實驗可以幫助學生加深對地球物理反演理論的理解和應用，了解地球物理反演的多解性，以及各種具體的分析處理算法的適用條件，正確理解觀測資料中包含的研究目標信息;通過結合實驗數據處理結果和觀測區域的地質背景資料，做初步的綜合地學解釋，逐步建立起物理參數模型和地學問題之間的關聯性認知。
綜上，三個模塊分別包含重、磁、電、震等多個實驗，既可以作為一門完整的實驗教學課程展開，也可以穿插到各類地球物理學方法課程的教學中，分別構成一個巖石物性—物理場觀測—觀測資料處理解釋的完整體系。在整個教學過程中，各模塊的目標和內容設計、模塊之間的關聯性設計直接闡釋了地球物理學方法的基本工作思想，成為課堂理論教學的有效支撐。
三、關于地球物理實驗教學拓展的思考
基于以上實驗教學的基本設計思路，多年來南京大學地學教學實驗中心逐步建設完成了以上述三個模塊為核心，包括重、磁、電、震多種方法在內的地球物理綜合實驗教學平臺，并在教學實踐中不斷的更新完善。學生在相關課程學習過程中，表現出了極大的興趣，并參與到教學實驗的設計和改進中來。從教學效果來看，實驗教學拓展了基礎理論教學的深度和寬度，為學科建設提供了有力的支持。從人才培養的角度來看，每年都有本科生利用教學實驗室的條件進行畢業項目設計和自主創新研究項目設計，為學生參加科研和實踐工作提供了良好的基本技能訓練平臺。
關于教學實驗的進一步拓展建設，筆者以為教學實驗基本功能首先是促進課堂教學，實驗設計的基本框架要密切配合課堂教學內容，不僅要利用單個實驗內容，而且要利用實驗模塊之間的關聯性，加強學生對課程整體知識框架結構的認知。此外，在基本的實驗框架基礎上，要給學生自由發揮的空間，使得學生在課堂教學基礎上能夠自行設計實驗方案，去驗證自己對于課堂理論的理解。隨著實驗觀測儀器生產技術的提升，國家對基礎教育設施投入的加大，可以選擇的儀器種類更加豐富，很多教學實驗儀器已經能夠實現定制，使得教學實驗的設計更加靈活，以上實驗教學的設計思路是完全可以實現的。
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